干货 | 车用碳纤维复合材料性能及成型工艺_业内资讯_业界资讯__复合材料信息网

2 车用CFRP快速成型工艺

　　传统汽车工业采用钢板、铝合金板材制造零部件时，冲压生产线每分钟可冲压零部件10~14个，8h产能可以达到6000个，制造高效快速。而传统的CFRP成型工艺来源于多品种、小批量、高成本生产的航空航天军工领域，其普遍采用热压罐等小规模生产技术，一个常规环氧类CFRP部件的完整固化周期通常大于4 h，实施周期长、生产效率低，无法满足车用CFRP对高效率、低成本、规模化、自动化制造技术的迫切需求。因此，为实现最小碳纤维用量下最大程度发挥CFRP功效的目的，国际主流车企结合车身部件设计灵活、厚薄不均、复杂程度不同的具体特点，在原有常规复合材料成型工艺基础上重点开发了众多差异化的新型快速成型工艺。

　　目前，汽车工业领域最具应用潜力的CFRP成型工艺包括快速RTM 成型工艺、预浸料快速模压成型工艺、片状模塑料和长纤维增强热塑性树脂复合材料等。

　　 2.1 快速RTM成型工艺

　　RTM成型工艺是最主要的液体模塑成型技术，它成型周期短、制品纤维含量高、表面光洁度好、尺寸精度高。由于无需使用预浸料和热压罐，RTM工艺成本相对较低，在航空工业领域，被广泛应用于生产大型结构件。但传统RTM工艺从纤维铺放、树脂注入、浸渍、固化，到最终脱模，总时长在2h以上，难以满足现代汽车工业对快速制造技术的需求。因此，快速RTM技术不仅是目前大型复杂结构CFRP部件一体化成型的首选，也是未来车用CFRP成型工艺的发展方向。高压RTM是通过增大注射压力提升注射速度的有效方法。

　　采用该工艺注射压力能够达到几千兆帕，保证了较高的合模速度和压制速度，大大缩短部件成型时间，提高了工艺效能。同时，增大压力能够促使树脂快速充满模腔，提高纤维树脂浸润度，减少树脂注射次数，促进空气排出，降低成品孔隙率，从而实现卓越的表面性能。如同时选择注入低黏度树脂体系或低黏度反应性混合物料体系，注射速度能够进一步提高；通过高压计量技术对反应物料进行精确计量，也能够缩短注射时间。另外，由于CFRP制品结构和性能可设计性强，当HP-RTM应用于大型复杂结构部件的制造时优势更加明显，不仅可以在5min以内实现部件的一体化成型，而且能够大幅减少零部件和紧固件数量，简化连接和装配，极大减少了生产过程的能源消耗，降低了生产成本。宝马i3车身的CFRP 部件大量采用HP-RTM技术生产，宝马的莱比锡工厂和兰茨胡特工厂为每台3000 t液压机配备2台HP-RTM注射单元，当自动化生产线将碳纤维预制件准确放入钢模并闭模后，HP-RTM单元可以借助高压向 模具中注入树脂，并在5 min内完成环氧树脂的固化[9]。HP-RTM技术的使用使宝马i3的CFRP零部件数量比传统的金属零部件数量减少了2/3，仅约为150个[10]。

　　 2.2 PCM成型工艺

　　模压成型是将冲压后的CFRP半成品预先放入模具，然后加热加压使其成型固化的成型方式。其中，热压前的成型坯料是能否实现快速制造的关键。

　　近年来，预浸料因具有精确的纤维、树脂配比而被越来越广泛的应用。而PCM成型工艺作为一种理想的CFRP罐外热压工艺，不仅能够大幅缩短成型周期、提高生产效率，具有制品尺寸精度高、表面光洁度好、生产成本相对较低、容易实现复杂结构件的一次成型等特点，同时，由于制品内纤维取向性好，因此制品的强度、刚度相对较高，已成为车用CFRP的重要成型工艺。日本三菱公司于2012年推出的快速固化PCM 成型工艺，采用60kP330和50kWCF这2种大丝束碳纤维的预浸料，希望得到与小丝束CFRP类似的良好加工性、优异力学性能及高产能。2014年，三菱丽阳公司将PCM工艺应用到了日产Nismo版本GT-R后备箱门的制造上，重量仅为铝合金产品的1/2，而成型周期缩短到约10min，可用于CFRP汽车部件的量产。

　　宁波材料所开发的热塑性CFRP预浸料快速热压成型工艺，实现了连续纤维纱/织物薄膜叠层熔融预浸工艺的连续化作业，用于奇瑞汽车某车型保险杠的量产，成型效率达到每小时8件，产品质量满足安全碰撞标准。

　　 2.3 其他成型工艺

　　RTM成型工艺对模具制造精度要求高、模具制作周期长且价格较高，而预浸料的材料加工、运输成本较高，模具的成本也不低，因此这2种成型工艺前期投入较大。因此，其他的复合材料成型工艺，如片状模塑料模压成型工艺、长碳纤维增强热塑性材料注塑成型工艺也得到了较为广泛的应用。

　　 2.4 SMC模压成型工艺

　　SMC由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两面覆盖聚乙烯薄膜而制成的片状模压料，属于预浸毡料范围。SMC成型效率高、产品的表面光洁度好、外形尺寸稳定性好，且成型周期短、成本低，适合大批量生产，适合生产截面变化不太大的薄壁制品，在GFRP汽车部件生产领域已得到广泛应用。

　　目前，在车用CFRP成型工艺方面，SMC主要用于片状短切纤维复合材料的生产，由于纤维的非连续性，制品强度不高，且强度具有面内各向同性特点。而碳纤维在树脂糊中的润湿性是SMC工艺面临的重要课题，通过对碳纤维进行必要的表面处理，并采用适当的润湿分散剂能够有效提高碳纤维在树脂糊中的润湿性和均匀性。碳纤维SMC也在汽车工业领域获得了不少应用。2003款道奇蝰蛇是首款批量运用连续碳纤和玻纤混杂增强乙烯基树脂SMC部件的车型，CFRP主要用于车门和风挡结构的制造。

　　该车型的风挡强度较原有车型有较大提升。新型车门在重量下降的前提下强度有所提升，车门下垂量得到了很好的控制。2012年，日本旭有机材工业公司利用碳纤维的导电性，采用SMC工艺为电动车生产用于吸收无线电波的部件，该部件同时用于电磁屏蔽和结构材料。2013年，汽车零部件供应商麦格纳与大丝束碳纤维制造上卓尔泰克将PANEX35碳纤维与Magna的EpicBlendSMC配方和技术相结合，共同开发了车用低成本碳纤维SMC技术及产品，大幅提高了生产效率。另外，国内车企，如上汽、北汽、奇瑞、一汽等也开展了SMC方面的大量研究，并将CFRP应用于尾门、新能源车电池箱盖、发动机罩、后顶盖、前机舱盖等汽车外覆盖件上。

　　 2.5 LFT 注塑成型工艺

　　除了热固性树脂和碳纤维织物、连续纤维以外，热塑性树脂和非连续碳纤维在汽车领域也有不少应用。LFT成型工艺具有优异的成型加工性成型率高、成品率高，且设备相对简单、工艺成本较低，制品内部由于纤维长度较长而形成骨架结构，使得制品具有较好的抗冲击性和刚度，因此LFT制品可用于受力较大的车体部件。LFT已经在汽车车身上获得了广泛应用，也是具有很大应用潜力的成型工艺。碳纤维增强尼龙6的LFT复合材料与铝合金、高强钢相比，比模量相当、比强度高出50%~250%，在汽车次承力结构件的制造方面具有相当的竞争。

　　除了热固性树脂和碳纤维织物、连续纤维以外，热塑性树脂和非连续碳纤维在汽车领域也有不少应用。LFT成型工艺具有优异的成型加工性成型率高、成品率高，且设备相对简单、工艺成本较低，制品内部由于纤维长度较长而形成骨架结构，使得制品具有较好的抗冲击性和刚度，因此LFT制品可用于受力较大的车体部件。LFT已经在汽车车身上获得了广泛应用，也是具有很大应用潜力的成型工艺。碳纤维增强尼龙6的LFT复合材料与铝合金、高强钢相比，比模量相当、比强度高出50%~250%，在汽车次承力结构件的制造方面具有相当的竞争。